水下湍射流噪聲試驗研究

王春旭，鄒 建，張 濤，侯國祥

（1華中科技大學船舶與海洋工程學院，武漢430074；2海軍指揮學院浦口分院信息戰研究系，江蘇 南京211800）

1 引 言

由于飛機、火箭應用的需要，空氣射流噪聲已有大量的實驗測量結果，實驗研究和理論研究相輔相成，極大地推進了氣動射流噪聲機理和預報方法的研究進展。但在水下射流噪聲方面卻鮮有研究，與其它水動力噪聲源相比，射流噪聲（自由湍流噪聲）聲輻射效率低下，受關注較少。近年來，自由湍流噪聲也引起了相當的關注，一方面是由于某些自由湍流噪聲問題引起了關注，如潛艇通海口流噪聲問題；另一方面，研究自由湍流噪聲機理，是其它水動力噪聲如邊界層噪聲和轉子噪聲問題研究的基礎。

本文將采用混響室方法對水下射流輻射噪聲功率進行試驗測量研究：其一考察水下射流輻射噪聲頻譜結構；其二研究多種形狀噴口對輻射噪聲的影響等。

2 試驗原理

水聲試驗一般在消聲水池測量，由于條件限制，本實驗采用混響水池進行測量?；祉懰販y量噪聲原理如下[1]。

混響室內任意一點聲能密度可以分為直達聲和混響聲兩部分，直達聲聲能密度可表示為：

其中W表示聲源平均輻射聲功率；混響室內達到平衡后的平均聲能密度：

其中R是房間常數，

α是壁面吸聲常數?？臻g中該點總的能量平均密度為：

Pe為聲場中等效聲壓，因此，

參考聲壓為p0=1×10-6Pa，參考聲功率為W0=1×10-12W，房間系數、吸聲系數可以通過混響時間T60確定。T60指的是聲壓級降低60dB所需要的時間，根據賽賓公式的推導[2]，T60可按如下定義計算：

于是：

用聲壓級、聲功率級表示：

其中，V、S分別是混響室的體積和面積，等式右端括號中的第一項表示直達聲的貢獻，可忽略。由此，通過測量各個頻率下的混響時間及聲壓級，即可得到射流的輻射聲功率。

3 試驗方案及裝置

本文射流噪聲測量原理及裝置如圖1所示。

圖1 混響室法射流噪聲測量原理和裝置圖Fig.1 Sketch of experimental principle and instrallation diagram

（1）混響水池：用混響室方法測量噪聲，混響室自身特性具有決定性影響。本實驗中采用壓力水桶作為混響水池，壓力水桶主體部分是一段圓柱，兩端是半橢球，其壁厚為27mm，內壁光滑，滿足混響水池的要求。壓力水桶形狀尺寸如圖2所示。易計算得其混響體積為V=2.424m3，混響室內表面積為S=12.787m2。將V、S代入到（8）式，射流輻射噪聲功率級可如下表示：

混響水池的結構尺寸直接決定了其有效測量頻率的下限，根據混響池測量聲源噪聲輻射聲功率相關規范[3-4]可知，直徑1 000mm的壓力水桶作為混響水池，其頻率下限約為1 250Hz，因此本文的數據處理頻率下限截至為1 000Hz。

（2）射流壓頭：在耐壓氣瓶中同時沖入高壓氣體和一定量的水，利用氣體的可壓縮性提供射流“穩定”的壓頭。

（3）混響時間：根據第1節實驗原理式（8）可知，射流噪聲聲功率的測量需要測量各頻率下混響水池的混響時間。測量方法是：用信號源和喇叭在混響水池中產生特定頻率的信號，穩定后斷開信號源，測量混響水池內的聲壓衰減過程，定義聲壓級衰減60dB的時間即為混響水池在該頻率下的混響時間。測量原理和裝置如圖3所示。

圖2 混響水池的結構尺寸(mm)Fig.2 Structure dimention of reverberation chamber

圖3 混響時間測量方法及裝置圖Fig.3 Reverberation time measurement method schematic diagram

（4）噴口形狀：潛艇通海系統一般采用漸擴管，認為可以降低噪聲。為了測量比較不同噴口形狀的輻射噪聲特點，制作三種圓形噴口，圖4是截面圖。分別是平直噴口、漸擴噴口、收縮噴口。平直噴口內徑10mm，漸擴噴口和收縮噴口的來流段內徑也是10mm，擴張角和收縮角都是15°，擴張和收縮段長短均為10mm。

圖4 試驗中的三種噴口形狀Fig.4 The three nozzle shapes used in experiment

（5）壓力損失：射流輻射噪聲直接與噴口處的流動特征如噴口處的速度等相聯系，但是噴口至壓力容器用耐壓軟管及管接頭連接，水從壓力氣瓶流至噴口會有壓力損失，各個壓力條件下噴口流量、速度需要測量。瞬時流量的測量比較困難，可用平均流量代替，例如壓力p=0.8MPa時的流量，可認為是壓力從p1=0.9MPa到p2=0.7MPa的平均流量。射流噴出時，可認為壓力容器中氣體是等溫變化過程，設氣瓶體積為V，初始用空壓機沖入氣體壓強為p0，隨后向其中充水，測量某個壓力下的流量時，打開出水閥，壓力為p1時開始計時，計時結束時壓力為p2，時間為t。則該段時間內平均流量為：

因此，重復測量時間t多次，作算術平均即可根據（10）式得到該壓力下的流量。

（6）壓頭穩定性保障：氣瓶中高壓氣體和水的體積比例會影響氣瓶內壓力變化的快慢，氣體體積所占比例越大，壓力變化越緩慢，所提供的射流壓頭越“穩定”；另一方面，各壓頭下的噪聲測量和流量測量應保持相同的條件，以排除壓頭變化快慢不同帶來的誤差。

（7）射流聲壓級測量：測量各壓頭下混響室中射流噪聲聲壓級，代入（9）式計算射流輻射聲功率。圖5是測量現場照片。

圖5 測量現場照片Fig.5 Photos of testing fields

4 測量結果及分析

4.1 噴口流量測量

根據（10）式提供的方法，只需要測量其中的時間t即可計算出流量。其中的V取作氣瓶的初始容積V=0.445 320 4m3，從0.8MPa開始，間隔0.2MPa測量到2.2MPa，各種壓力下流量試驗和計算條件如下：

（1）p=0.8MPa時，令p0=0.4MPa，p1=0.9MPa，p2=0.7MPa

（2）p=1.0MPa至p=2.2MPa時，令p0=0.715MPa，p1=p+0.1MPa，p2=p-0.1MPa

表1至表3列出了流量和噴口速度測量結果，其中的時間t是3次測量平均結果。壓力單位是兆帕（MPa），時間單位是秒（s），流量單位是立方米每秒（m3/s）。速度單位是米每秒（m/s），表中給出的速度是噴口處的等效平均速度。

比較表1和表2可知，兩者流量基本沒變，擴口流量稍大，可以推斷，表2中的速度項基本沒有意義，噴口截面上速度極不均勻。比較表1和表3可知，收縮噴口流量只有平直噴口的四分之一左右，但噴口處的速度提高較多。

表1 平直噴口流量Tab.1 Flow rate of straight nozzle

表2 漸擴噴口流量Tab.2 Flow rate of expansion nozzle

表3 收縮噴口流量Tab.3 Flow rate of shrinkage nozzle

4.2 混響時間測量

采用第2節圖3所示方法測量混響時間，信號源的信號經過功率放大器放大激勵喇叭發聲，在混響室中產生特定頻率的正弦信號，用水聽器接受水中聲信號，信號穩定后，斷開信號源，記錄聲信號衰減過程。本實驗中，信號頻率取作三分之一倍頻程的中心頻率。測量結果如表4所示。

表4 混響時間列表Tab.4 Reverberation time at each frequency

4.3 射流噪聲輻射功率測量

測量時將噴頭自頂向下固定在混響水池的正中央，噴口距頂端面900mm。4個水聽器固定在等半徑（256mm）的四周（如圖6所示），但深度各不相同，深度布置見表5所示。

表5 水聽器布置位置Tab.5 Depth of hydrophone locations

圖6 水聽器布置示意圖（mm）Fig.6 Schematic of locations of hydrophones

對在特定壓頭下各噴口射流噪聲信號測量完畢后，將時域內的聲壓采集信號進行Fourier變換，得到聲壓譜級。然后進行三分之一倍頻程聲級分析。在此以壓頭為p=1.0MPa平直噴口的射流噪聲信號為例，說明信號處理過程，圖7是各通道信號的聲壓譜級，圖8是各通道三分之一倍頻程聲級分析圖。

為了考察混響室的混響效果及數據有效性，需要對各通道三分之一倍頻程聲級作如下標準偏差估計：

其中：sM是四個水聽器位置聲壓級標準偏差（dB）；Lpi是第i個水聽器位置平均聲壓級（dB）；Lpm是所有水聽器位置聲壓級算術平均（dB）；N是水聽器數目或者測量位置數目。

從圖9可以看出，各測量水聽器在各頻段上標準偏差在1.2dB到1.8dB之間?？烧J為混響室混響效果較好。

根據測量規范，混響室內各頻帶平均聲壓級可按如下求得：

圖7 各通道聲壓級圖Fig.7 The SPL diagram for each chanel

圖8 各通道三分之一倍頻程聲壓級Fig.8 One-third-octave band SPL diagram for each chanel

結果如圖10a所示，由此進行擬合，得到全頻域段聲壓級曲線，如圖10b所示。

將圖10曲線擬合得到的各頻率下聲壓級和合表4給出的各頻率下的混響時間代入到（9）式即可計算出射流輻射噪聲功率級。

圖11、圖12、圖13根據上述數據處理過程分別給出了平直噴口、收縮噴口、擴張噴口各個壓頭下的射流輻射噪聲聲功率級；a圖表示氣瓶內壓頭為2.2MPa、2.0MPa、1.8MPa、1.6MPa時射流輻射噪聲升功率級，b圖表示氣瓶內壓力為1.4MPa、1.2MPa、1.0MPa、0.8MPa時射流輻射噪聲升功率級。

圖9 各通道測量信號標準偏差估計Fig.9 Standard deviation estimation of signals collected for each chanel

可以看出，對于三種噴口，隨著氣瓶壓頭的降低，噴嘴出口速度隨之降低，射流輻射噪聲功率也隨之降低；另外，隨著壓頭的降低，輻射噪聲功率級頻譜結構有向高頻方向移動的趨勢，這是因為，速度越高，越能激起流場的大尺度運動，在高雷諾數、低Ma數情況下，大尺度渦結構對噪聲輻射有支配性的作用[5]。

圖10 由三分之一倍頻程聲壓級擬合全頻域段聲壓級曲線Fig.10 The utimate One-third-octave band SPL diagram

圖11（a，b） 平直噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級比較Fig.11 The comparison of SPL of submerged jet induced by straight nozzle

圖12（a，b） 收縮噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級比較Fig.12 The comparison of SPL of submerged jet induced by shrinkage nozzle

圖14表示在壓頭p=2.2MPa時，三種不同的噴嘴的射流輻射噪聲功率級比較，圖15至圖21依次列出了壓頭從p=2.0MPa到p=0.8MPa的情況，可以看出，盡管同樣壓頭下收縮噴口的流量大為減小，不到平直噴口的四分之一，但其輻射噪聲級在各種壓頭條件下卻是最高的，從表1、表3可以看出：同樣壓頭下，收縮性噴口射流速度最高，可以推斷，噴口處的出流速度對射流噪聲級有決定性的影響。另一方面，同一壓頭下，擴張噴口射流噪聲功率級曲線與平直噴口射流噪聲功率級曲線相交，在交點頻率以下，擴張噴口射流噪聲功率級大，在交點頻率以上，平直噴口射流噪聲功率級大。

圖13（a，b） 擴張噴口各壓頭下的射流輻射噪聲功率級比較Fig.13 The comparison of SPL of submerged jet induced by expansion nozzle

圖14 壓頭p=2.2MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.14 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.2MPa

圖15 壓頭p=2.0MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.15 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=2.0MPa

圖16 壓頭p=1.8MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.16 The comparison of SPL of the three submerge nozzlse at pressure head p=1.8MPa

圖17 壓頭p=1.6MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較dFig.17 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.6MPa

圖18 壓頭p=1.4MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.18 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.4MPa

圖19 壓頭p=1.2MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.19 The comparison of SPL of the three submerged nozzles at pressure head p=1.2MPa

圖20 壓頭p=1.0MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.20 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=1.0MPa

圖21 壓頭p=0.8MPa三種噴嘴的輻射噪聲功率級比較Fig.21 The comparison of SPL of the three submerged nozzle at pressure head p=0.8MPa

5 結 論

采用混響室方法，對水下湍射流輻射噪聲功率進行實驗測量，結果表明：

（1）同一噴口產生的射流，隨著壓頭的降低，其輻射噪聲功率隨之降低，且其頻譜結構有向高頻移動的趨勢；

（2）通過比較相同壓頭下不同噴口形狀射流輻射噪聲功率級可知，收縮噴口盡管流量相對很小，但其噴口速度較大，射流輻射噪聲功率較平直噴口和擴張噴口要高，說明噴口初始速度是射流噪聲的關鍵因素；平直噴口和擴張噴口射流輻射噪聲功率級曲線相交，在交點頻率以下，擴張噴口射流輻射噪聲功率級大，在交點頻率以上，擴張噴口射流輻射噪聲功率級較?。?/p>

（3）采用混響室方法測量噪聲最大的缺點是不能對噪聲輻射指向性進行研究；其次，本實驗中作為混響室的壓力水桶直徑為1 000mm，決定了其有效截至頻率下限為1 250Hz左右，無法對低頻噪聲做出測量，是本文工作的不足之處。

[1]陳克安.聲學測量[M].北京:科學出版社,2005.

[2]杜功煥,朱哲明,龔秀芬.聲學基礎[M].南京:南京大學出版社,2001.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局發布.聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級混響室精密法[S].GB/T 6881.1-2002.

[4]國家標準局發布.源聲功率級的測定—混響室精密法和工程法[S].GB 6881-86.

[5]Tam C K W,Golebiowski M,Seiner J M.Two components of turbulent mixing noise from supersonic jets[J].AIAA Journal,96-1716,1996.